3D打印技术在新型冠状病毒肺炎防控领域的研究进展

刘若锦，李挥，邢娣娣，刘华，秦青，甄晓兰(通信作者)

河北省药品医疗器械检验研究院 (河北石家庄 050227)

2019新型冠状病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)是此前从未在人体中发现的冠状病毒新毒株，在人体存在一定的潜伏期。由2019-nCoV引发的新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)疫情自发生以来在全球迅速蔓延，严重威胁着人们的生命安全[1]，而具有一定传染性的无症状感染者和“德尔塔”“奥密克戎”等新型变异株的出现使疫情形势更加严峻。目前，临床尚无治疗COVID-19的确切方法，因此，做好对疫情的防控工作十分重要，而如何利用新技术、新方法对疫情进行有效的防控成了当下的热点研究方向。

自3D打印技术问世以来，其因具有价格相对低廉、易于快速转化实物等优点，正逐渐发展成为一种先进的生物制造技术[2]，在建筑、航空航天工程和机器人工程等众多领域受到极大的关注，尤其是在医学和健康科学领域有着广泛的应用[3-5]，且其对COVID-19的防控也表现出了一定的应用潜力。本文即就3D打印技术在COVID-19防控领域的研究进展作一综述，并分析3D打印技术的优缺点。

1 个人防护领域

2019-nCoV可以通过呼吸道飞沫传播，咳嗽和打喷嚏均可传播病毒。此外，病毒可以在物体表面存活一段时间，健康人与受感染物体或患者发生身体接触均存在感染风险。口罩和其他个人防护装备(personal protective equipment，PPE)为防止病毒传播的屏障[6]，而在COVID-19大流行期间，应用3D打印技术可成功制备出口罩和其他PPE。

1.1 防护口罩

Ishack和Lipner[7]以聚乳酸(polylactic acid，PLA)为原料采用3D打印熔融沉积建模(fused deposition modelling，FDM)技术成功制备出防护口罩(图1)。该PLA防护口罩的结构紧凑，对微生物(包括病毒)大小的颗粒具有足够的屏障保护作用。研究发现，96%乙醇、70%异丙醇和0.85%次氯酸钠消毒剂均能够彻底清除葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌和2019-nCoV对该口罩表面的污染；且采用激光扫描技术扫描可以获得精确扫描的面部参数。与普通防护口罩相比，通过3D打印技术制备的口罩具有更高的舒适度和贴合度。

注：A为聚乳酸原料;B为直径为10 cm的圆板;C～E为不同类型的聚乳酸口罩

Goswami等[6]采用3D打印FDM工艺开发了一种带有石墨烯(fluorinated graphene，fG)空气过滤器的口罩(图2)。fG具有较高的比表面积与体积比，以增强口罩抗病毒和抗菌性能。研究发现，该3D打印口罩可达到98.2%的细菌过滤效率和1.10 mbar的呼吸阻力；且通过测试该防护口罩对2019-nCoV颗粒的防护有效性，发现该口罩可以有效阻止病毒传播。

注：A为3D打印口罩的各个部件；B为带有石墨烯空气过滤器的3D打印口罩

1.2 防护面罩

当面罩与口罩和护目镜共同使用时，面罩可立即将绝大多数可能具有传染性的飞沫保持在合理的物理距离，而口罩和护目镜则可进一步加强局部保护作用。但是，当同时佩戴传统的面罩和护目镜，特别是长时间佩戴时，既不方便又不舒适，而采用3D打印技术制备的面罩可在满足COVID-19防护需求[7]的同时，为医护人员提供更舒适的使用体验。

Armijo等[8](图3)和Lemarteleur等[9](图4)以易于获得且价格低廉的PLA作为原料，采用3D打印技术分别成功制备了防护面罩。该类面罩结构类似，头部固定部分均由两个拱门和固定带组成，可起到有效防护的作用；且其更加透明、轻便，可提供较高的光学清晰度和舒适度。

注：A为覆盖范围(可以延伸到下巴以下)；B为面罩成品

图4 由两个拱门组成的3D打印聚乳酸面罩

Celik等[10]基于有限元分析的结构设计，通过FDM的3D打印方式成功实现了一种重量更轻、更符合人体工程学且易于使用的医用面罩设计(图5)。与传统面罩相比，该产品无需额外的组件(如松紧带和夹子)即可组装，且生产时间相对较短(≤45 min)。

图5 基于有限元分析结构设计的3D打印面罩

Huang等[11]利用光敏树脂、聚氯乙烯和热塑性聚氨酯弹性体设计了一种针对眼睛和面部的组合保护面罩，其可以由3D打印技术快速制备。该面罩由护目镜、镜片、面罩和松紧带4部分组成(图6)，可以很容易地进行组装和拆卸，同时可对传染液滴保持良好的防漏效果，为防护COVID-19等突发传染病提供了更多的可能性。

注：A和B分别为眼睛-面罩组合效果图和实物图

2 诊断工具研究领域

目前，2019-nCoV的核酸检测多是通过鼻咽拭子(nasopharyngeal swab，NP)与试管内的病毒运输介质结合来实现的，因此，对样本的有效采集成了准确检测的有力保证。普通的NP的使用体验不佳，甚至会造成干呕、恶心等情况，影响样本采集，因此，设计一种高效且引起的不良情况少的NP非常重要。

Ford等[12]设计了一种3D打印NP(图7)，并经在异丙醇中清洗以及进行蒸汽灭菌，最后通过临床验证，发现其能够有效保证病毒载量，且可以维持3 d以上，完全满足采样需求。与普通的NP相比，使用该产品时患者更加舒适。

Gallup等[13]采用3D打印光固化技术制备了一种NP(图8A)，且为了加快打印速度并减少原料使用，将该产品与贴合手柄联合使用(图8B)，满足2019-nCoV样本采集的性能要求，且其能够承受比正常临床使用中预期更大的力，为COVID-19核酸检测试剂盒使用的标准NP提供了一种经济、快速的替代方案。

注：A为戴手套组装鼻咽拭子;B为鼻咽拭子与贴合手柄配合使用

3 呼吸机及分离器设计领域

3.1 呼吸机

COVID-19会引起肺部组织纤维化而无法输送足量氧气，进而导致呼吸困难，需要呼吸机来辅助患者呼吸[14-15]。Dhanani等[16]开发了一种新型低成本的3D打印便携式机械呼吸机(图9)，可用于呼吸衰竭患者。通过人体外试验和猪体内试验，发现该呼吸机的机械效率与标准呼吸机相当。此外，其还改进了齿轮设计，为快速、大批量、经济地生产呼吸机等医疗设备提供了可行的替代方案。

图9 3D打印便携式机械呼吸机

3.2 分流器

为了防止飞沫传播，需要患者之间保持足够的距离，这会造成呼吸机呼吸回路延长，无效腔通气增加，而为了确保有效的通气，患者的吸入必须同步且体质量相近，但在实际操作中无法实现。

注：A为设计尺寸；B为外观；C为制造的成品

注：A为设计尺寸；B为外观；C为制造的成品

4 辅助工具研究领域

4.1 器官模型

目前，利用3D打印技术已经成功制备了器官模型[15]。例如，利用3D打印技术制备的耳鼻喉模型，可模拟正常和病理的声带，被用于内镜手术的培训中[16]，有助于对COVID-19取样人员进行培训。

Chee等[17]利用3D打印技术成功制备了鼻模型(图12)，该模型具有解剖学变异，能够再现普通人群的真实鼻腔结构，且其使用的弹性材料能够再现真实鼻子的质感。通过使用3D打印鼻模型，可帮助拭子熟悉鼻咽解剖，从而有助于进行真实、有效和安全的鼻拭子训练，且有助于确保拭子结果尽可能准确。

注：A和B分别为外部视图和内镜(内部)视图

4.2 气管内管夹

由气管内管引起的气溶胶排放会增加医护人员接触病毒的风险，因此，建议在未连接过滤通气回路时钳住气管内管，以减少气溶胶颗粒的扩散。Jacob等[18]设计了一种3D打印气管内管夹，可实现在插管和拔管过程中进行收紧和打开(图13)，为保护医护人员的健康提供保障。

注：A为实物图；B为根据需要松开；C为根据需要夹紧

4.3 开门器和门钩

电梯按钮、电话、电脑鼠标和键盘等已受2019-nCoV污染的设备亦会引起COVID-19的传播。研究发现，2019-nCoV在不锈钢表面可以存活72 h[19]。为了避免接触受2019-nCoV污染的设备表面，François等[20]选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，利用3D打印FDM技术制备了免提开门器和门钩，将免提开门器固定在门把手上，用前臂或肘部即可开门(图14)；考虑到一些门把手的几何形状不允许安装免提开门器，还开发了一种由易于伸缩的护套保护的门钩(图15)。此类设备易于安装、清洁和消毒，可有效降低开门时病毒传播的风险。

图14 使用扎带在两种门把手上安装的免提开门器

图15 处于关闭(左)和打开(右)状态的门钩

5 总结及展望

COVID-19疫情的出现挑战了现有技术的极限，同时加速了各个领域的创新。3D打印技术因具有个性化设计和制造复杂结构的能力和快速成型等优点，在个人防护、诊断及辅助工具研究等多领域具有潜在的应用价值，如利用3D打印技术制备的防护用品，在保护医护人员不受病毒侵害的同时极大地提高了佩戴的舒适度；利用3D打印技术制备的鼻模型，有助于确保拭子采样尽可能的高效准确。

需要注意的是，3D打印技术的应用也存在一定的不足，如3D打印可用的材料有限且机械性能亟待改进，在一定程度上限制了3D打印技术的应用；与传统的方法相比，利用3D打印技术制备的重复性产品大规模生产的相对时间较长；该技术目前仍缺乏一定的临床试验支撑；此外，缺少明确的关于3D打印产品制造工艺和质量检测等方面的规范，为保证3D打印产品的可靠性和安全性，与之相应的质量评价机制和评审手段亟待建立。

我们相信，随着新材料的开发和新技术的交叉合作，3D打印技术必将成为抗击COVID-19的有力武器。